DESARROLLO DE BIOMATERIALES AVANZADOS PARA UNA … · Desarrollo de un método de refuerzo...

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Proyecto CENIT INTELIMPLANTBiomateriales avanzados para una nueva generación de implantes

PROYECTO INTELIMPLANT

DESARROLLO DE BIOMATERIALES AVANZADOS PARA UNA NUEVA GENERACIÓN DE IMPLANTES

Barcelona, 11 de Junio de 2008

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1. OBJETIVOS GENERALES

2. OBJETIVOS TECNOLÓGICOS

3. NECESIDADES CIENTÍFICO-TÉCNICAS DEL SECTOR

4. PARTICIPANTES EN EL PROYECTO:

Empresas participantes en el Consorcio

Organismos públicos de investigación subcontratados

5. CONFIGURACIÓN DEL PROYECTO

6. ACTIVIDADES DEL PROYECTO: OBJETIVOS

Act. 1 “Biomateriales metálicos” (DMP)

Act. 2 “Biomateriales poliméricos” (IHT)

Act. 3 “Biomateriales cerámicos y composites” (KERAMAT)

Act. 4 “Ingeniería de superficies” (BTI)

Act. 5 “Ingeniería tisular” (LAB. INIBSA)

Act. 6 “Nanomateriales para tribología” (BIOKER RESEARCH)

Act. 7 “Superficies nanoestructuradas” (METAL ESTALKI)

Act. 8 “Monitorización por imagen” (GEM IMAGING)

Act. 9 “Sensores y telemetría” (I2M DESIGN)

Act. 10 “Modelos experimentales” (BTI)

INDICE

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Mejorar la competitividad de las empresas participantes en el proyecto, a lo largo de

toda cadena de valor en el campo de los biomateriales.

Paliar la situación desfavorable de nuestro país en el estudio y desarrollo de

biomateriales inteligentes implantables, promoviendo la generación y transferencia de

conocimiento en esta área entre las OPIs y CITs y las empresas.

Desarrollar conocimiento y tecnologías que den respuesta a los retos científico-

técnicos que deben afrontar los biomateriales implantables

Mejorar el nivel científico-técnico de las empresas participantes en el proyecto, de

forma que se sitúen en una mejor posición para su participación en programas

internacionales de cooperación en investigación científica y desarrollo tecnológico,

p.e. FP VII.

OBJETIVOS GENERALES

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Generación de nuevos conocimientos científico-técnicos en el área de biomateriales

meso y nanoestructurados con propiedades biomiméticas, así como de su interacción

con los tejidos vivos, basados tanto en materiales composites, como materiales

cerámicos, poliméricos y metálicos, para su integración como materiales implantables

de diferente naturaleza.

Investigar y desarrollar nuevos biomateriales y superficies nanoestructuradas y

bioactivas con propiedades innovadoras y diferenciadas, a nivel estructural y funcional

respecto a los materiales actuales para su aplicación en ingeniería tisular, biotribología

y monitorización de sistemas implantados.

Aumentar la capacidad científico-tecnológica de las empresas españolas participantes,

de cara a mejorar su competitividad, potenciando además su participación en

programas internacionales.

Fomentar sinergias y reducir tiempos de desarrollo mediante la constitución de un

marco de colaboración entre actores nacionales multidisciplinares con conocimientos y

experiencias complementarias, presentes en toda la cadena de valor del sector.

OBJETIVOS TECNOLÓGICOS

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Extender la funcionalidad del implante a toda la vida del paciente, de forma que se

eviten reintervenciones quirúrgicas.

Mejorar la fiabilidad e integración de los implantes, evitando reacciones de rechazo.

Acortar significativamente los tiempos de recuperación de los pacientes, de forma que

los implantes estén operativos en breve tiempo.

Monitorizar el estado y evolución del implante, tanto a corto plazo tras la intervención

quirúrgica, como a largo plazo, poniendo de manifiesto cualquier anomalía, y

posibilitando la aplicación de terapias preventivas.

Simplificar la práctica quirúrgica, avanzado hacia la cirugía mínimamente invasiva y la

automatización de fases de la intervención.

NECESIDADES CIENTÍFICO-TÉCNICAS DEL SECTOR

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SURGIVAL: Fabricación de productos para traumatología y cirugíaEncapsulado de las prótesis articulares con nuevos materiales poliméricos que eviten la liberación de partículas.

LAFITT: Fabricación y comercialización de prótesis e implantesObtención de materiales poliméricos como transportadores de factores osteoinductores y/o células mesenquímáticas indeferenciadas autólogas. Desarrollo e integración de materiales viscoelásticos compatibles.

SOCINSER: Fabricación y comercialización de prótesis e implantesDesarrollo de recubrimiento mediante espumas u otras estructuras que favorezcan la osteointegración. Desarrollo de biomateriales con respuesta variable autónoma

IHT: Productos Hospitalarios de un solo uso, catéteres y stentsObtención de biopolímeros para la administración local de fármacos y biopolímeros terapeúticos, además de tecnologías y procesos para la encapsulación de principios activos.

FABRICANTES DE PRÓTESIS E IMPLANTES

LÍDER DEL PROYECTOBIOTECHNOLOGY INSTITUTE, S.L : Empresa de biomedicina y biotecnología con implantación internac.Diseño y fabricación de implantes dentales, componentes protésicos e instrumental quirúrgico.Referente científico en la regeneración tisular mediante la utilización del plasma rico en factores de crecimiento (PRGF).Premio Príncipe de Asturias 2006 a la Innovación Tecnológica

Desarrollo de un método de refuerzo mecánico antifractura en biomateriales para implantes. Obtención y ensayo de un recubrimiento a medida mediante moléculas bioactivas además de una nueva superficie para implantes basada en tecnología láser combinada.

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BIOMATERIALES & SUMINISTRADORES

DMP: Procesado y Acabado fino de componentes en aleaciones especialesProcesado de biomateriales porosos no homogéneos mesoestructurados, especialmente en aleaciones metálicas, en geometrías personalizadas

KERAMAT: Biocerámicas: implantes de fosfato tricálcicoDiseño y desarrollo de biocerámicas de fosfato cálcico micro y nano porosas; densas con superficies meso y nano estructuradas

Lab. INIBSA: Productos hospitalarios, odontológicos, de higiene y alimentación especialIngeniería de tejidos: biocerámicas de fosfátos cálcicos – células vivas.

BIOKER: Materiales cerámicos y compuestos nanoestructuradosDesarrollo de un proceso de obtención de barbotinas en medios no acuosos para la obtención de nanocompuestos cerámicos.

SUPERFICIES

METAL-STALKI: Recubrimientos por PVDDesarrollo y caracterización de recubrimientos por PVD (osteoinductivos en geometría 3D; recubrimientos nanoestructurados para biotribología)

BIOVAC: Superficies porosas para prótesisDesarrollo de nuevas tecnologías de sinterizado para el uso de microesferas metálicas para la fabricación de biomateriales porosos.

http://www.dmp.aero/caste/index1.htm

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MONITORIZACIÓN

GEM imaging: Imagen para intervenciones médicasTecnologías de detección de radiación basadas en estructuras. Desarrollo de nuevos métodos de medida para la monitorización de implantes. Monitorización mediante fusión de imágenes anatómicas y funcionales.

i2m-design: Sensores, micro y nano tecnologías para aplicaciones biomédicasDesarrollo de tecnología para la detección, identificación y medida de defectos, anomalías o cambios estructurales a partir de la medida de la impedancia eléctrica.

AyS: Tecnología de sensoresDesarrollo de tecnología para la detección, identificación y medida de defectos, anomalías o cambios estructurales a partir de la medida de la impedancia eléctrica.

IHS: Sistemas de telemetríaDesarrollo de tecnología para la detección, identificación y medida de defectos, anomalías o cambios estructurales a partir de la medida de la impedancia eléctrica.

http://www.analisisysimulacion.com/default.asp

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GRUPO DE INVESTIGACIÓN LOCALIZACIÓN

CSIC-CNM CATALUÑA

FUN. UN.SANITARIA LEÓN CASTILLA-LEÓN

U.P.V. PAIS VASCO

FUN. BOSCH I GIMPERA CATALUÑA

U. POLITECNICA CATALUÑA CATALUÑA

INCAR ASTURIAS

ICMM ASTURIAS

FUN. PRODINTEC ASTURIAS

IQS CATALUÑA

IBV C. VALENCIANA

CSIC-ICTP MADRID

INASMET PAIS VASCO

U. BARCELONA CATALUÑA

U. MALAGA ANDALUCIA

U. SANTIAGO-ICG GALICIA

CSIC-IFIC C. VALENCIANA

U. VIGO GALICIA

LOCALIZACIÓN NO GRUPOS I+D

PAIS VASCO 2

ASTURIAS 3

CASTILLA LEÓN 1

C. VALENCIANA 2

CATALUÑA 5

GALICIA 2

MADRID 1

ANDALUCIA 1

TOTAL 17

ORGANISMOS PÚBLICOS DE INVESTIGACIÓN SUBCONTRATADOS

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INTEGRACIÓN DE SISTEMASModelos Experimentales

Dental Cadera Rodilla Columna

EVALUACIÓN BIOLÓGICA Y BIOMECÁNICA

Coronario

Materiales base meso y nanoestructurados

Metálicos-Ti

Poliméricos y Composites

Cerámicos

Materiales y superficies en interacción con los

tejidos

Ingeniería de Superficies

Ingeniería Tisular

Biotribología

Nanomateriales

Monitorización

Sensores

SuperficiesNanoestructuradas

Monitori. por Imagen

Telemetría

ACTIVIDADES DEL PROYECTO

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BIOMATERIALES Empresas Centros

A.1. Biomateriales metálicos

DMP, SOCINSER, BTI, BIOVAC

Inasmet, IBV, F.Prodintec

A.2. Biomateriales poliméricos

IHT, Surgival, Lafitt

ICTP-CSIC, Inasmet, U.LEon, IQS, IBV,

A.3. Biomateriales cerámicos

Keramat .

INTERACCIÓN BIO/NO BIO Empresas Centros

A.4. Ingeniería de superficies

BTI, BioVac, Metal-Estalki

Inasmet, IBV Un Vigo

A.5. Ingeniería de tejidos

Lab. Inibsa, U. Barcelona, F. Bosch i Gimpera

Biomateriales

Modificación y funcionalziación

Monitorización

BIOTRIBOLOGÍA Empresas Centros

A.6. Nanomateriales

BiokerINCAR, ICMM,

A.7. Superf. nanoestructuradas

Metal-Estalki

Inasmet, IBV

MONITORIZACIÓN Empresas Centros

A.8. Monitorización por imagen

GEM-IMAGING

IFIC, UPV, IBV

A.9. Sensores y telemetría

i2m-Design, IHS, AyS CNM

INTEGRACIÓN

A.10. Modelos experimentales

, Surgival,DMP Socinser, Lafitt, etc.

Evaluación & modelos experimentales

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Centros

Inasmet, IBV,

ProdintecICG

,UPC

BTI

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DESARROLLO DE MATERIALES BASE MESO Y NANOESTRUCTURADOS

ACTIVIDAD 1: BIOMATERIALES METÁLICOSLíder: DMPParticipantes: BTI, SOCINSER, BIOVACCentros de investigación: INASMET, IBV y FUND. PRODINTEC

OBJETIVOS:

El desarrollo de materiales meso y nano estructurados metálicos, persigue obtener aleaciones metálicas biocompatibles porosas que permitan:

i) Lograr un módulo elástico reducido, similar al correspondiente al tejido óseoii) Con buenas propiedades de resistencia a fatigaiii) Que presten soporte a modificaciones superficiales y agentes bioactivos como scaffolds

para obtener integración en el tejido vivo.

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ACTIVIDAD 2: BIOMATERIALES POLIMÉRICOSLíder: IHTParticipantes: SURGIVAL,LAFITTCentros de investigación: ICTP-CSIC, INASMET, F. INV. SANITARIA DE LEÓN, Unv.MÁLAGA, IBV e IQS

OBJETIVOS:

Por un lado se van a desarrollar:• Biopolímeros para la administración local de fármacos• Biopolímeros terapéuticos, que tengan propiedades terapéuticas independientemente de si

liberan o no un fármaco, y• Tecnologías y procesos para la encapsulación de principios activos en los biopolímeros

Por otra parte se van a desarrollar nuevos materiales poliméricos para el encapsulado de las prótesis articulares.Desarrollo de materiales poliméricos con capacidad de actuación, como transportadores de factores osteoinductores y/o células mesenquimáticas indiferenciadas autólogas que favorezcan la osteointegración del material implantado.Finalmente, se van a desarrollar materiales viscoeléctricos compatibles que puedan implantarse mediante cirugía mínimamente invasiva en la columna en estado líquido o sólido que sustituyan el núcleo pulposo de los discos invertebrales dañado.

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ACTIVIDAD 3: BIOMATERIALES CERÁMICOS Y COMPOSITESLíder: KERAMATCentros de investigación: ICG

OBJETIVOS:

Siendo el tejido óseo uno de los destinos principales de los biomateriales a desarrollar, y siendo éste básicamente un composite cerámico- polimérico, se ha planteado el desarrollo de compuestos cerámicos que permitan reproducir estructura y propiedades de tejido óseo. Objetivos:i)Diseño y desarrollo de biocerámicas de fosfato cálcico micro y nano porosas, y densas con superficies meso y nano estructurasii) Estudiar la carga de las biocerámicas con proteínas: colágeno y factores de crecimiento, con el objetivo de mejorar la bioactividad de las cerámicas estudiando su funcionamiento y estabilidad, y determinando su actividad biológica “in vitro” e “in vivo”

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ACTIVIDAD 4: INGENIERÍA DE SUPERFICIESLíder: BTIParticipantes: METAL-ESTASKI, BIOVACCentros de investigación: INASMET, Unv.POLOTECNICA DE CATALUÑA y Unv. De VIGO e IBV.

OBJETIVOS:

En esta actividad se aborda el desarrollo de soluciones que den lugar a la integración del biomaterial rápida en el tejido óseo mediante la obtención de superficies osteoinductivas en materiales porosos, mediante:

i) Desarrollo de un recubrimiento para implantes a medida mediante moléculas bioactivasii) Desarrollo de un recubrimiento biomimético para implantes a través de un composite

colágeno+biocerámicaiii) Desarrollo de una nueva superficie para implantes basada en tecnología láser combinadaiv) Desarrollar un recubrimiento nano, oseoinductivo, aplicado por PVD sobre biomateriales

implantables y que sea aplicable a geometrías 3Dv) Desarrollo tecnologías para sinterizado de microesferas de acero 316L aplicado como

recubrimiento de implantes

INGENIERÍA INTERACCIÓN BIOMATERIAL-TEJIDO VIVO

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ACTIVIDAD 5: INGENERÍA TISULARLíder: INIBSACentros de investigación: Unv.de BARCELONA y Fundación BOSCH i GIMPERA

OBJETIVOS:

Se ha planteado trabajar en compuestos de biocerámicas y fosfatos cálcicos con células vivas. Para ello se trabajará en la extracción y preparación de células, cargado de biocerámicas y su evaluación, en principio “in-vitro”. Además, se estudiará el mantenimiento, funcionalidad y diferenciación celular, con objeto de evaluar el estado de la población celular al cabo del tiempo, en el que se ha de producir el proceso en el que por una parte la célula precursora se diferencia y por otra el biomaterial se ve recubierto y modificado por la acción sintética y remodeladora de la célula especializada. Finalmente, se realizará la evaluación biológica “in vivo” del material desarrollado, evaluándose su actividad biológica (osteogénica).

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BIOTRIBOLOGÍA

ACTIVIDAD 6: NANOMATERIALES PARA BIO-TRIBOLOGÍALíder: BIOKER RESEARCHCentros de investigación: ICMM e INCAR

OBJETIVOS:

Se desarrollará el proceso de obtención de barbonitas en medios no acuosos para la obtención de nanocompuestos cerámicos, que se caracterizarán mediante ensayos de fatiga simulando condiciones lo más próximas a las reales.Desarrollar métodos de procesamiento que permitan, mediante inmersión de componentes crudos en barbotinas, la incorporación en la superficie de los componentes de multicapas en compresión, que faciliten el pulido superficial de las piezas.También, se estudiarán diversas técnicas de modificación supreficial y la biocompatibilidad de los materiales desarrollados

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ACTIVIDAD 7: SUPERFICIES NANOESTRUCTURADASLíder: METAL ESTALKICentros de investigación: INASMET e IBV

OBJETIVOS:

Se desarrollarán recubrimientos micrométricos nanoestructurados por PVD, ultraduros y resistentes al desgaste, evaluándose su idoneidad en simuladores de componentes articulares, donde se monitorizarán tanto los coeficientes de fricción como el fenómeno de desgaste, analizándose, en su caso, el efecto biológico de las partículas de desgaste.

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MONITORIZACIÓN

ACTIVIDAD 8: MONITORIZACIÓN POR IMAGENLíder: GEM-IMAGINGCentros de investigación: IFIC, UPV e IBV

OBJETIVOS:

Consiste en la investigación de nuevos métodos de detección por radiación luminosa, rayos X o gamma para la visualización, monitorización y validación de los implantes. Se desarrollará una cámara que proporcionará imágenes desde el exterior del organismo sobre posibles inflamaciones o infecciones que el material o prótesis hayan ocasionado, con una resolución superior en al menos un factor 10 en comparación con cualquier método actual conocido.La tecnología de detección de la cámara debe permitir la formación de las imágenes en tiempo real. La cámara deberá poder introducirse dentro del quirófano para la monitorización de los implantes, proporcionando un test final de adaptabilidad o rechazo del material en el organismo del paciente.

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ACTIVIDAD 9: SENSORES Y TELEMETRÍALíder: i2m-DESIGNEmpresas participantes: AyS, IHSCentros de investigación: CNM

OBJETIVOS:

Se ha planteado la puesta en marcha de 3 tecnologías básicas: Tecnología que permita la detección, identificación y medida de defectos, anomalías o cambios estructurales en el material a partir de la medida de la impedancia eléctricaTecnología que permita la detección de presencia de tipos específicos de proteínas y biomarcadores en general, en fluidos vitalesTecnología que permita la inclusión de micro/nano sensores embebidos en materiales junto con los mecanismos adecuados que permitan el flujo de datos hacia el exterior para su estudio y tratamiento.Deberá tenerse en cuenta la necesidad de transmisión wireless de datos desde el dispositivo sensor a un dispositivo de cálculo y la necesidad de alimentación de los dispositivos electrónicos implantados.Dada su aplicación, el desarrollo de las tecnologías exige un control de la biocompatibilidad de los elementos, así como el uso de materiales resistentes a las condiciones de agresividad del medio biológico

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INTEGRACIÓN DE SISTEMAS

ACTIVIDAD 10: MODELOS EXPERIMENTALES DE CADERA, RODILLA, DENTAL Y DE COLUMNALíder: BTIEmpresas participantes: SOCINSER, LAFITT, SURGIVAL, IHTCentros de investigación: INASMET, IBV y Fund. PRODINTEC

OBJETIVOS:

El objetivo será validar el uso de los nuevos biomateriales y de la sensorización de los implantes mediante su integración en modelos experimentales: dentales, de cadera, de rodilla, de prótesis discales y cajas y stents coronarios.Los biomateriales serán sometidos a una evaluación biológica y mecánica (caracterización de sus propiedades mecánicas, de resistencia a cargas cíclicas y evaluación de la presencia de partículas de desgaste mediante la aplicación de condiciones de contorno que reproduzcan los valores típicos del cuerpo humano). Además la evolución biológica contempla ensayos “in vitro” que permitan valorar el comportamiento del material y minimizar el número de ensayos “in vivo”, necesarios para evaluar aspectos claves.Por último, se ha planteado una actividad de integración, en la que se conjugarán los materiales desarrollados y los correspondientes sistemas de monitorización.

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